Mechanické vlastnosti entropicky stabilizovaných keramických materiálů
Loading...
Date
Authors
Ronschak, Johana
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato práce se zabývá problematikou v současné době prudce se rozvíjející oblasti vysoce entropických materiálů (HEM). Konkrétně jsou zde zkoumány vysoce entropické karbidy (HEC) a vliv obsahu uhlíku v matrici vysoce entropických slitin (HEA) na její mikrostrukturu a tvrdost. Dále je zde pozorován vliv mechanické přípravy, tepelné úpravy a difúze uhlíku ze slinovací formy na vzorky. Pro analýzu byly vytvořeny patřičné vzorky metodou Spark Plasma Sintering (SPS) za různých teplot. Analýza hustoty, fázová a strukturní analýza byla dána do souvislosti s provedenými zkouškami tvrdosti metodou podle Vickerse, Roentgenovou strukturní analýzou (RSA) a na vybraných vzorcích také zkouškou nanotvrdosti a energiově disperzní analýzou (EDS). Mechanické zpracování prášku mletím bylo zvoleno za cílem snížení porozity výsledného materiálu, která by při velkém výskytu mohla znehodnotit výsledky měření tvrdosti. V porovnání s literaturou se tak v této práci mletím prášku HEA VNbTaMoW podařilo zvýšit hustotu o 7 %. Tohoto výsledku bylo také dosaženo za nižší slinovací teploty. Na mleté VNbTaMoW byla při hustotě 100 % naměřena tvrdost až 6,9 GPa. Pro jednofázové vzorky HEC VNbTaMoW-C0,8 byla za hustoty 100 % dosažena tvrdost 20,46 GPa a pro VNbTaMoW-C0,9 16,87 GPa při hustotě 97,9 %. Na dvoufázových lamelárních vzorcích HEC VNbTaMoW-C0,5 byla měřena tvrdost až 16,83 GPa. Na tomto materiálu byla pozorována nanotvrdost lamelární oblasti 20,4 GPa a homogenní oblasti 29,3 GPa. Difúze C se projevila u veškerých vzorků, avšak nejvýznamnější byly výsledky pozorování mikrostruktury VNbTaMoW a VNbTaMoW-C0,5 kdy došlo k tvorbě heterogenní, resp. homogenní fáze o složení VNbTaMoW-C0,8. Vliv uhlíku byl na materiálu VNbTaMoW pozorován do hloubky ~180 m a na VNbTaMoW C0,5 do vzdálenosti ~200 m, přičemž v HEC byl tímto způsoben nárůst tvrdosti z 18,4 GPa (jádro) na 22,6 GPa na povrchu. Výsledky této práce naznačují příznivý vliv mechanického mletí na výslednou mikrostrukturu a hustotu. Také se v důsledku implementace mletí podařilo v porovnání s literaturou snížit slinovací teplotu za docílení vyšší hustoty. Dále zde byl pozorován růst tvrdost HEC s obsahem C s nejvyšší dosaženou hodnotou na materiálu VNbTaMoW-C0,8. Materiál VNbTaMoW-C0,9 jevil nižší tvrdost, což mohlo být způsobeno v důsledku výskytu značné pórovitosti, která snižuje zjevnou tvrdost materiálu. Z tohoto důvodu je vhodné soustředit výzkum také na optimalizaci vhodné přípravy prášku HEC a slinovací teploty za cílem získání plně hutného materiálu s obsahem C > 80 mol. %.
This work focuses on the topic of the currently novel high entropy materials (HEM). The focus is put primarily on high entropy carbides (HEC) and the effect of carbon content in the matrix of a high entropy alloy (HEA) on its microstructure and hardness. Additionally, the effect of mechanical preparation, sintering temperatures and carbon diffusion from within the sintering die is observed on the samples. Several samples were sintered using the Spark Plasma Sintering (SPS) method under different temperatures. Density, phase and structure analyses were put in correlation to Vickers hardness tests, X-Ray Diffraction (XRD) analysis as well as on some samples to nanohardness tests and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis. Powder milling has been implemented in order to reduce the final material’s porosity, which could negatively impact the accuracy of the hardness reading. Thus, a higher density of the HEA VNbTaMoW has been reached compared to literature by 7 %. Additionally, this result was obtained using lower sintering temperatures. The milled VNbTaMoW had a density of 100 % along with a hardness of 6,9 GPa. Two single-phase HEC materials VNbTaMoW-C0,8 and VNbTaMoW-C0,9 reached hardnesses of 20,46 GPa and 16,87 GPa respectively, whilst densities of 100 % and 97,9 % were observed. The heterogeneous material of VNbTaMoW-C0,5 showed an average hardness of 16,83 GPa. Within this material, nanohardness was measured of the lamellar areas as 20,4 GPa whilst the homogenous areas reached up to 29,3 GPa. The effect of the C diffusion was observed on all samples with the most significant being that of the VNbTaMoW and VNbTaMoW-C0,5 microstructures, where a heterogeneous and homogenous phase of the VNbTaMoW-C0,8 composition was created respectively. C has reached a depth of ~180 m within the VNbTaMoW through diffusion and ~200 m in VNbTaMoW C0,5, where an increase of hardness was observed from 18,4 GPa in the core material to 22,6 GPa on the surface. This work observed a positive impact of mechanical powder milling on the final microstructure and density. Additionally, the implementation of milling has resulted in a lower needed sintering temperature than reported in literature, whilst reaching higher densities. An increase of hardness has been observed in the HEC depending on the C content, with the highest being measured on the VNbTaMoW-C0,8. The material VNbTaMoW-C0,9 showed lower hardness, most likely due to its higher porosity, which lowers the effective hardness of the material. This points towards a possible direction of further studies in regard to the optimalization of HEC powder preparation and sintering temperatures with the goal of obtaining a full-density material with content of C > 80 mol %.
This work focuses on the topic of the currently novel high entropy materials (HEM). The focus is put primarily on high entropy carbides (HEC) and the effect of carbon content in the matrix of a high entropy alloy (HEA) on its microstructure and hardness. Additionally, the effect of mechanical preparation, sintering temperatures and carbon diffusion from within the sintering die is observed on the samples. Several samples were sintered using the Spark Plasma Sintering (SPS) method under different temperatures. Density, phase and structure analyses were put in correlation to Vickers hardness tests, X-Ray Diffraction (XRD) analysis as well as on some samples to nanohardness tests and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis. Powder milling has been implemented in order to reduce the final material’s porosity, which could negatively impact the accuracy of the hardness reading. Thus, a higher density of the HEA VNbTaMoW has been reached compared to literature by 7 %. Additionally, this result was obtained using lower sintering temperatures. The milled VNbTaMoW had a density of 100 % along with a hardness of 6,9 GPa. Two single-phase HEC materials VNbTaMoW-C0,8 and VNbTaMoW-C0,9 reached hardnesses of 20,46 GPa and 16,87 GPa respectively, whilst densities of 100 % and 97,9 % were observed. The heterogeneous material of VNbTaMoW-C0,5 showed an average hardness of 16,83 GPa. Within this material, nanohardness was measured of the lamellar areas as 20,4 GPa whilst the homogenous areas reached up to 29,3 GPa. The effect of the C diffusion was observed on all samples with the most significant being that of the VNbTaMoW and VNbTaMoW-C0,5 microstructures, where a heterogeneous and homogenous phase of the VNbTaMoW-C0,8 composition was created respectively. C has reached a depth of ~180 m within the VNbTaMoW through diffusion and ~200 m in VNbTaMoW C0,5, where an increase of hardness was observed from 18,4 GPa in the core material to 22,6 GPa on the surface. This work observed a positive impact of mechanical powder milling on the final microstructure and density. Additionally, the implementation of milling has resulted in a lower needed sintering temperature than reported in literature, whilst reaching higher densities. An increase of hardness has been observed in the HEC depending on the C content, with the highest being measured on the VNbTaMoW-C0,8. The material VNbTaMoW-C0,9 showed lower hardness, most likely due to its higher porosity, which lowers the effective hardness of the material. This points towards a possible direction of further studies in regard to the optimalization of HEC powder preparation and sintering temperatures with the goal of obtaining a full-density material with content of C > 80 mol %.
Description
Keywords
Citation
RONSCHAK, J. Mechanické vlastnosti entropicky stabilizovaných keramických materiálů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Materiálové inženýrství
Comittee
doc. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Klára Částková, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Libor Válka, CSc. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)
Ing. Lenka Klakurková, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Antonín Záděra, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2024-06-10
Defence
Student odprezentoval svoji bakalářskou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta.
3 otázky oponenta: otázka 1 (zodpovězeno), otázka 2 (zodpovězeno), otázka 3 (zodpovězeno).
Otázky komise:
Co je to teplotní koeficient roztažnosti? (zodpovězeno) Pro jakou konkrétní aplikaci by se mohly používat tyto materiály, konkrétně pro Aerospace? (zodpovězeno) Je běžné měření tvrdosti u těchto materiálů? Máte vysvětlení, proč se mikrotvrdost tolik liší u jednotlivých vzorků (zodpovězeno) Proč HEA a HEO by měly mít lepší mechanické vlastnosti? (zodpovězeno) Schema ideální struktury - jak se deformuje? (zodpovězeno)
zodpovězeno
částečně zodpovězeno
nezodpovězeno
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení